书书书

中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，３２（４）：９６１０２

细胞固定化方法制备微藻光电极的研究

吕艳霞１，２　陈兆安１　陆洪斌１　邓麦村１　薛　松１　张　卫１（１中国科学院大连化学物理研究所海洋生物产品工程组　大连　１１６０２３　２中国科学院研究生院　北京　１０００３９）

摘要　通过将微藻细胞固定在平面多孔碳纸上，制备微藻光电极，并在三电极体系电解液中加入电子介体进行测试，可产生与光照同步的光电流响应。考察了不同固定化方法、不同微藻及不同

电子介体的光电流响应，结果表明硅溶胶凝胶法制备的光电极光电流响应最佳，且对于亚心形四爿藻、金藻、莱茵衣藻、蛋白核小球藻、聚球藻等５种微藻都适用，表明该制备方法对不同微藻具有较好的通用性。电子介体的研究表明苯醌及其衍生物由于氧还电位较高，具有较好的阳极光电

流响应特性，而甲基紫精氧还电位较低，具有较好的阴极光电流响应。

关键词　微藻　硅溶胶凝胶　固定化　光合电子传递中图分类号　Ｑ８１９

收稿日期：２０１２０１１３　　修回日期：２０１２０２１３ 国家 “９７３”计划 （２００９ＣＢ２２０００４）、国 家 自 然 科 学 基 金（２０８０６０８１）、中科院知识创新工程重要方向 （ＫＳＣＸ２ＹＷＧ０７３，ＫＳＣＸ２ＹＷ３７３２，ＫＧＣＸ２ＹＷ２２３）资助项目通讯作者，电子信箱：ｚａｃｈｅｎ＠ｄｉｃｐ．ａｃ．ｃｎ

　　基于光合系统的太阳能转换研究近来广受关注，利用光合生物（高等植物［１］、微藻［２４］、光合细菌［５６］）、

光合系统天线蛋白［７］以及具有光合作用活性的叶绿

体［８］、类囊体膜［９１０］、光合系统 Ｉ［１１］和 ＩＩ［１２１４］构建光合生物燃料电池时见报道，Ｓｔｒｉｋ等［１５］、Ｒｏｓｅｎｂａｕｍ等［１６］

对光合生物燃料电池分类及其电子传递机理进行了全

面的综述。在光合生物燃料电池中，为实现光能到电

能或化学能的转换，光合系统光解水产生的高能电子

通过外源或内源的电子介体传递到电极上产生光电流

是先决条件。

由于尚未经实验证实光合微生物和电极之间存在

直接的电子传递［１６］，光合生物燃料电池需要借助外源

电子介体 ＨＮＱ、ＤＭＢＱ、ＤＣＢＱ、ＢＱ等醌类将光合电子

传递到电极上，细胞或酶固定化制备光电极，显然可以

显著增加电子的传递效率［１７］。细胞固定化制备光电极

多集中在将原核生物蓝藻、光合细菌吸附在修饰金电

极及碳纸上或用碳糊电极达到固定目的［２６］，而关于真

核藻类光电极制备却尚未见报道。原因在于真核藻类

个体较大，难以吸附在载体表面，且光反应中心在细胞

器叶绿体的类囊体膜上，电子介体在细胞内需要穿过

层层膜结构才能接收光解水释放的电子，扩散传递过

程要比没有细胞器结构的原核藻类困难得多［１８］。

本研究利用不同的固定化方法将真核绿藻亚心形

四爿藻固定在碳纸上制备成微藻光电极，以对苯醌（ｐ

ＢＱ）为电子介体，考察并比较了不同固定化方法对光电

流的影响。采用金藻、莱茵衣藻、蛋白核小球藻、聚球

藻为工作藻株，以硅溶胶凝胶方法制备光电极，考察硅

溶胶凝胶方法对不同藻株的适用性；以循环伏安曲线

确定不同电子介体时工作电极的极化电位，恒电位极

化方法考察了微藻光电极在使用不同电子介体时的光

电流响应情况。

１　材料与方法

１．１　藻种及培养

　　选择不同种属的微藻细胞（包括真核微藻、原核微

藻）作为实验材料制备光电极，研究光诱导的电子传

递，５种微藻的具体信息如表１所示。

实验藻种亚心形四爿藻（Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｂｃｏｒｄｉｆｏｒｍｉｓ）

和湛江等鞭金藻（Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓｚｈａｎｊｉａｎｇｅｎｓｉｓ）由辽宁省海

洋水 产 研 究 所 馈 赠，莱 茵 衣 藻 （Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ

ｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉＣＣ１２４）购自杜克大学衣藻保藏中心，蛋白

核 小 球 藻 （Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｐｙｒｅｎｏｉｄｏｓａ）和 聚 球 藻

（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．ＰＣＣ７９４２）购自中国科学院水生生

物研究所淡水藻种保藏中心。

２０１２，３２（４） 吕艳霞 等：细胞固定化方法制备微藻光电极的研究

表１　藻种基本信息

Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏａｌｇａｅ

藻种 培养基 细胞壁

Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｂｃｏｒｄｉｆｏｒｍｉｓ ＫＯｐｔｉｍｉｚｅｄ［１９］ 有

Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｙｒｅｎｏｉｄｏｓａ ＳＥ 有

Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉ ＴＡＰ 有

Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓｚｈａｎｊｉａｎｇｅｎｓｉｓ Ｆ／２ 无

Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．ＰＣＣ７９４２ ＢＧ１１ 有

　　海水藻（亚心形四爿藻和湛江等鞭金藻）培养基所

用的海水取自大连周边海域，培养基以１１０℃高温蒸汽

灭菌１５ｍｉｎ，冷却至室温备用。

亚心形四爿藻接种在５００ｍｌ气升管式反应器中，

接种密度为１５０万／ｍｌ，放在２７℃、日光灯光源、表面光

强为１６０μｍｏｌｓ１ｍ２、光暗比为１４ｈ∶１０ｈ的条件下培

养。其他藻株均在 ２７℃、日光灯光源、表面光强为

８０μｍｏｌｓ１ｍ２、光暗比为１４ｈ∶１０ｈ的条件下培养。

１．２　实验装置与原理

　　实验采用的是单室三电极体系，装置体积为２００

ｍｌ。工作电极为固定有微藻细胞的生物光电极，电极

材料为碳纸（ＴＧＰＨ０６０），尺寸１．２ｃｍ×２．０ｃｍ，辅助电

极为铂电极，参比电极为 Ａｇ｜ＡｇＣｌ｜ｓａｔ．ＫＣｌ电极。海

水藻体系的电解质为天然海水，淡水藻体系的电解质

为５０ｍｍｏｌ／ＬｐＨ８．０磷酸钠缓冲液，电解质体积均为

１００ｍｌ，实验中以白色荧光灯作为光源，光量子通量密

度均为１４６μｍｏｌｓ１ｍ２，实验示意图如图１。

图１　三电极体系结构示意图

Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅ

ｐｈｏｔｏｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｅｌｌ

ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｒｅｅｅｌｅｃｔｒｏｄｓＡ：Ｎ２ ｉｎｌｅｔ；Ｂ：Ｗｏｒｋｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；Ｃ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｏｒｔ；Ｄ：

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ：Ｅ：Ｃｏｕｎｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；Ｆ：Ｎ２ ｏｕｔｌｅｔ； ：

Ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ； ：Ｒｅｄｕｃｅｄｍｅｄｉａｔｏｒ； ：Ｏｘｉｄｉｚｅｄｍｅｄｉａｔｏｒ

　　在三电极体系中，固定在碳纸上的微藻细胞内的电子传递给电子介体，还原型的电子介体再将电子传

递到阳极，与辅助电极构成闭合回路产生电流。

１．３　实验方法１．３．１　高分子修饰的碳纸电极的制备及固定化　聚醚砜修饰碳纸使其一面形成一层高分子多孔层，孔径

大小足以将藻细胞通过过滤的方式固定在碳纸上，具

体制备方法见专利［２０］，记作固定化方法１。１．３．２　海藻酸钙凝胶固定化微藻电极的制备　在１．３．１节固定化方法基础上进一步涂层，先将５×１０６个亚心形四爿藻藻细胞过滤在聚醚砜修饰的碳纸（１．２ｃｍ×２．０ｃｍ）上，然后用４０μｌ０．２％的海藻酸钠溶液均匀涂层，并浸入０．４％的 ＣａＣｌ２溶液中形成凝胶从而将细胞固定在碳纸上，记作固定化方法２。１．３．３　硅溶胶凝胶固定化微藻电极的制备　硅溶胶的制备方法参见文献［２１２２］，四乙氧基硅烷在酸性条件

下水解缩聚为硅溶胶，并释放出乙醇。

　　修改之后的步骤如下：１０ｍｌ四乙氧基硅烷、６０ｍｌ水、３０ｍｌ０．０１ｍｏｌ／ＬＨＣｌ在室温下强烈搅拌４８ｈ形成酸性硅溶胶（ｐＨ大约为２．３），在固定化微藻细胞之前，用１ｍｏｌ／ＬＮａＯＨ将硅溶胶ｐＨ调整为７．５，随后继续反应２４ｈ。

硅溶胶凝胶固定化微藻电极的制备有两种方式，其一是先将５×１０６个亚心形四爿藻藻细胞过滤在聚醚砜修饰的碳纸电极上，然后用５０μｌ硅溶胶涂层来固定细胞，记作固定化方法３；其二是将藻液离心得到的藻泥重悬在１ｍｌ硅溶胶中，充分混匀，用移液器吸取５０μｌ混合液平铺在未经任何修饰的碳纸上，在空气中风干

备用，记作固定化方法４。１．３．４　电化学测试　微藻生物电极作为工作电极，与辅助电极、参比电极构成三电极体系。实验前，将电化

学工作站（ＣＳ３００，武汉科斯特）预热３０ｍｉｎ，每个电化学测试之前通Ｎ２排氧２０ｍｉｎ，且在整个测试过程中通Ｎ２保持搅拌体系的电解池无氧。为了防止电化学测试对电极表面电荷积累的影响，先进行电化学阻抗谱测

试，再进行恒电位扫描，至电流稳定进行实验。

以固定化方法４将微藻细胞固定在碳纸材料上，分别考察５种电子介体［对苯醌（ｐＢＱ）、甲基紫晶（ＭＶ）、２，６二甲氧基１，４苯醌（ＤＭＢＱ）、甲萘醌（ＶＫ３）、２羟基１，４萘（ＨＮＱ）］对藻细胞的光响应的影响。

用５种不同种类的微藻细胞制备光电极，在电解液中加入电子介体考察藻细胞光反应中心与电极之间

的电子传递。

２　结果与讨论

２．１　不同固定化方法的比较　　通过固定化方法１将海洋绿藻亚心形四爿藻固定

７９

中国生物工程杂志 ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．４２０１２

在碳纸上，形成绿藻生物电极，在三电极体系中，以０．５

Ｖ进行恒电位极化，光响应曲线如图２所示。在ａ点加

入电子介体ｐＢＱ之后，ｐＢＱ被细胞内的物质所还原，

还原型的 ｐＢＱ在电极再被重新氧化，电流迅速增加。

在ｂｃ点之间进行光照时，电流在２ｓ内迅速上升，比悬

浮液体系［３］对光的响应更加灵敏，与光同步，同时该方

法制备的光电极由于细胞容易脱落到电解液中，光电

流不稳定，固载量无法定量，实验重复性较差。

固定化方法２和３制备的绿藻生物电极对光的响

应值只有固定化方法４制备的绿藻生物电极的５０％左

右。在固定化方法２和３中，碳纸上修饰的聚醚砜薄膜

层阻碍了藻细胞光解水释放的 Ｏ２和减小了电极的有

效面积，这可能是其光电流响应值较低的原因。固定

化方法４的载体材料由于是未加任何修饰的碳纸，没

有固定化方法２、３的问题，光电流响应值最大。

综合上述分析，固定化方法４可准确定量细胞的

固定量，而且对光的响应最佳，光电流达到３７μＡ／ｃｍ２，

与光同步，且重复性好，与相关研究［３，６］相比更有优势。

图２　不同固定化方法制备的微藻光电极对光的响应曲线

Ｆｉｇ．２　Ｃｕｒｒｅｎｔｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｍｉｃｒｏａｌｇａｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｄｉｖｅｒｓｅｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ

２．２　不同微藻对光电极性能的影响

　　利用固定化方法４制备不同藻类的生物电极，以

ｐＢＱ为电子介体，终浓度为２００μｍｏｌ／Ｌ，在１００ｍｌ三电

极体系中，恒电位扫描电位是０．５Ｖ，考察不同的固定

化微藻电极对光的响应。

　　图３Ａ中，固定化亚心形四爿藻制备的光电极光响

应十分灵敏，光照后２ｓ内电流迅速上升，３００ｓ内光电

流达到稳定值，在光暗循环中光电流趋于一致。

　　图３Ｂ中，固定化金藻光电极光响应很小，可能是

因为金藻是海水藻，且没有细胞壁，在和硅溶胶混合过

程中细胞溶胀，光合系统受损。

图３Ｃ所示为小球藻光电流响应曲线，小球藻电极

对光响应很灵敏，但是光电流很难达到稳定，电流基线

持续上升，这是由于在搅拌过程中，小球藻从碳纸上脱

落所致；图３Ｄ所示为小球藻硅溶胶混合液中添加体

积分数为３０％的天然海水制备的小球藻电极的光电流

响应曲线，其基线平稳，第一响应峰达到稳定值的时间

是亚心形四爿藻的３～４倍，响应值则在第三响应峰时

达到最大，其原因可能是小球藻细胞较小，内扩散阻力

比较大，需要很长时间才能达到稳态。而 ｐＢＱ的光还

原动力学是扩散控制的［３］，在小球藻细胞内扩散阻力

比较大，需要很长时间才能达到稳态。综合图３Ｃ、Ｄ可

知，在固定化过程中溶液的离子强度会显著影响硅溶

胶的凝胶强度，从而影响制备电极的性能；同时小球藻

由于细胞壁较厚，对盐度和渗透压有一定的承受能力，

对光合系统不会造成很大的伤害。故实验中其它淡水

藻电极制备中均加入了适量海水。

　　聚球藻ＰＣＣ７９４２、莱茵衣藻（光电极制备时添加了

体积分数２５％的海水）电极光电流响应分别如图３Ｅ、Ｆ

所示，光电流响应曲线与亚心形四爿藻类似，二者比

较，在相同叶绿素含量下衣藻的光电流响应大于聚球

藻，可能是由于绿藻比蓝藻的光合效率更高所致，在多

次光暗循环过程中，衣藻电极的基线电流逐渐增加，仍

是由于细胞脱落所致。

　　综合分析以上５种微藻的光响应曲线，可以初步

得出以下结论：细胞个体的大小对光电流响应亦有影

响，其中亚心形四爿藻个体最大（直径约２０μｍ）响应最

佳，且达到平台的响应时间最短。以硅溶胶凝胶方法

制备光电极对各种微藻具有较好的通用性，增加离子

强度可以有效提高淡水微藻光电极的稳定性。

８９

２０１２，３２（４） 吕艳霞 等：细胞固定化方法制备微藻光电极的研究

图３　固定化亚心形四爿藻（Ａ）、金藻（Ｂ）、小球藻（Ｃ，Ｄ）、聚球藻（Ｅ）、（莱茵衣藻）Ｆ光电极对光的响应曲线

Ｆｉｇ．３　ＣｕｒｒｅｎｔｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｃｒｏａｌｇａｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅＡ：Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｂｃｏｒｄｉｆｏｒｍｉｓ；Ｂ：Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓｚｈａｎｊｉａｎｇｅｎｓｉｓ；Ｃ，Ｄ：Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｙｒｅｎｏｉｄｏｓａ；Ｅ：Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．ＰＣＣ７９４２；

Ｆ：ＣｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉＣＣ１２４

　　已有相关研究中，原核生物蓝藻以吸附法固定［２］

或以透析袋固定于碳糊电极［３４］上制备微藻光电极（光

电流密度１０μＡ／ｃｍ２左右），以光合蛋白复合体的分离

纯化及固定化制备酶电极（１ｍＷ／ｃｍ２光强下最大光电

流密度１８μＡ／ｃｍ２）［２３］，制备过程均较复杂；与之相比，

以硅溶胶凝胶的方法固定微藻制备的光电极更易于制

备较大面积的光电极，光电流密度和光电流稳定性与

已有相关研究的最佳值相当，并具有成本较低且简单

易行的特点。

２．３　不同电子介体对光电极性能的影响

　　以海洋绿藻亚心形四爿藻为材料，利用固定化方

法４制备绿藻生物电极，通过循环伏安扫描确定不同

电子介体的极化电压，考察不同的电子介体［ｐＢＱ，

ＭＶ，ＶＫ３，ＤＭＢＱ，ＨＮＱ，Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６］对光的响应。其中

铁氰化钾、ＨＮＱ的循环伏安曲线氧化还原峰不明显未

作进一步考察。

　　图４所示为微藻电极在不同电子介体（ｐＢＱ，ＭＶ，

ＶＫ３，ＤＭＢＱ）下光照和暗环境的循环伏安曲线，光照

时，氧化电流上升，还原电流下降，而ＭＶ对光的响应则

正好相反，光照时，氧化电流下降，还原电流上升；而

ＨＮＱ、ＶＫ３作为电子介体对光照无任何响应，与参考文

献［３］结果相同。

９９

中国生物工程杂志 ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．４２０１２

图４　固定化绿藻生物电极不同电子介体（Ａ：ｐＢＱ、Ｂ：ＤＭＢＱ、Ｃ：ＭＶ、Ｄ：ＶＫ３）的循环伏安曲线扫描速度为５０ｍＶ／ｓ，黑线表示的是黑暗时的循环伏安曲线，灰线表示的是光照时的循环伏安曲线

Ｆｉｇ．４　ＣｙｃｌｉｃｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍｃｕｒｖｅｓｏｆＴｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｂｃｏｒｄｉｆｏｒｍｉｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒｓ　　　　　Ａ：ｐＢＱ；Ｂ：ＤＭＢＱ；Ｃ：ＭＶ；Ｄ：ＶＫ３

Ｔｈｅｓｃａｎｒａｔｅｗａｓ５０ｍＶｓ１ｗｉｔｈｓｏｌｕｔｉｏｎｄｅａｅｒａｔｅｄｂｙｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｔｈｅｂｌａｃｋｌｉｎｅｓａｎｄｇｒａｙｌｉｎｅｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｐｅｒｉｏｄｓｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｄａｒｋｎｅｓｓ

ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ

　　不同电子介体在光照黑暗条件下不同扫描电压时

的光电流值如图５所示。

图５　不同电子介体在光照黑暗条件下

不同扫描电压时的光电流增量

Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｉｎｃｒｅｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎ

ｍｅｄｉａｔｏｒｓｂｅｔｗｅｅｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄ

ｄａｒｋｗｈｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ

　　ＢＱ和ＤＭＢＱ作为电子介体时，随绿藻生物电极的

极化电压正向增加，光电流先增后减，０．５Ｖ左右达到最

大值，ＢＱ作为电子介体光电流值约是 ＤＭＢＱ的４倍，

表明苯醌类电子介体 可以接收光合系统电子传递链上

的电子产生光电流，且其分子量越小光电流值越大；

ＭＶ作为电子介体，电极极化电压为负，随着电势的逐

渐正移，光电流也先增后减，－０．６Ｖ时达到最大约

－１０μＡ／ｃｍ２。根据图４列出不同电子介体的氧化还原

峰电位，如表２所示。表２　各种电子介体氧化还原峰电位

Ｔａｂｌｅ２　Ｒｅｄｏｘｐｅａｋｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒｓ

电子介体 氧化峰电位（ｍＶ） 还原峰电位（ｍＶ）

ＢＱ １０８ １２１ＤＭＢＱ １１９ ２７６ＭＶ ５８４ ７０３ＶＫ３ ２５１ ３７０

　　分别以光电流最大时的电位进行恒电位扫描，

ＤＭＢＱ作为电子介体光响应曲线如图 ６Ａ所示，与图

３Ａ所示ｐＢＱ的光响应曲线的相似，但是 ＤＭＢＱ作为

００１

２０１２，３２（４） 吕艳霞 等：细胞固定化方法制备微藻光电极的研究

图６　固定化微藻电极以ＤＭＢＱ（Ａ）、

ＭＶ（Ｂ）为电子介体的光响应曲线

Ｆｉｇ．６　Ｃｕｒｒｅｎｔｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｍｉｃｒｏａｌｇａｅ

ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｗｉｔｈＤＭＢＱ（Ａ），

ＭＶ（Ｂ）ａｓｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒ

电子介体光电流达到稳定所需要的时间比 ｐＢＱ长，光电流响应值只有ＢＱ作为电子介体的光电流的５０％左右。其原因是ＤＭＢＱ是 ｐＢＱ的衍生物，分子量较大，在细胞中的扩散速度比ｐＢＱ慢，故电子介体的扩散应是光电流的重要影响因素。图６Ｂ所示的是固定化微藻电极以 ＭＶ为电子介体的恒电位（极化电位是－０．６Ｖ）极化曲线，此时电流为负值，光照时电流下降（绝对值增大），黑暗时电流上升，趋势稳定，但是很难

达到一个稳定的电流值，如表２所示，ＭＶ氧化还原电位比ＤＭＢＱ、ｐＢＱ偏负较大，难以从微藻的光合系统电子传递链接受电子，但可以作为电子供体将电子传递

给细胞的电子传递链，产生负的阴极光电流。

３　结　论

　　以细胞固定化方法制备亚心形四爿藻光电极，使用苯醌类电子介体，可以获得稳定的光电流响应，在４种固定化方法中，硅溶胶凝胶法结果最佳；以硅溶胶凝胶法可以固定不同门类的微藻在碳纸上制备成光电

极，其光电流响应曲线类似，表明硅溶胶凝胶法对不同

的微藻具有通用性；硅溶胶凝胶法制备光电极过程中，

适当提高离子强度可以有效提高凝胶强度，从而得到

稳定的光电流响应。不同电子介体对光电流影响的研

究表明，循环伏安方法可以有效确定微藻电极的极化

电压，恒电位极化研究表明苯醌及其衍生物由于氧化

还原电位较高具有较好的阳极光电流响应特性，而 ＭＶ

氧还电位较低则具有较好的阴极光电流响应。以细胞

固定化方法制备微藻光电极对于实现基于微藻细胞的

直接光电转化，及深入研究微藻光合电子的传递机制，

以及与其他代谢网络的相互关系提供了一种新的

手段。

参考文献

［１］ＦｌｅｘｅｒＶ，ＭａｎｏＮ．Ｆｒｏｍｄｙｎａｍｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ

ｉｎａｌｉｖｉｎｇｐｌａｎｔｔｏｓｕｎｌｉｇｈｔｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ．Ａｎａｌ

Ｃｈｅｍ，２０１０，８２（４）：１４４４１４４９．

［２］ＦｕＣＣ，ＳｕＣＨ，ＨｕｎｇＴＣ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｗｅｉｇｈｔａｎｄ

ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌ

ｃｅｌｌｓｗｉｔｈＳｐｉｒｕｌｉｎａｐｌａｔｅｎｓｉｓ．ＢｉｏｒｅｓｏｕｒＴｅｃｈｎｏｌ，２００９，１００

（１８）：４１８３４１８６．

［３］ＴｏｒｉｍｕｒａＭ，ＭｉｋｉＡ，ＷａｄａｎｏＡ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆ

ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ ｓｐ． ＰＣＣ７９４２ｃａｔａｌｙｚｅｄ

ｐｈｏｔｏｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｅｘｏｇｅｎｏｕｓｑｕｉｎｏｎｅｓａｎｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ

ｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ．ＪＥｌｅｃｔｒｏａｎａｌＣｈｅｍ，２００１，４９６（１２）：２１２８．

［４］ ＴｓｕｊｉｍｕｒａＳ，ＷａｄａｎｏＡ，ＫａｎｏＫ，ｅｔａｌ．Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ

ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｅｌｌ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ ａｎｄ ｗａｔｅｒ

ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｏｘｉｄａｓｅ．ＥｎｚｙｍｅＭｉｃｒｏｂＴｅｃｈ，２００１，２９（４５）：２２５

２３１．

［５］ＣａｏＸＸ，ＨｕａｎｇＸ，ＬｉａｎｇＰ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙａｎｏｘｉｃ

ｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌｕｓｉｎｇａｐｈｏｔｏｂｉｏｃａｔｈｏｄｅｆｏｒｃａｔｈｏｄｉｃｃａｒｂｏｎ

ｄｉｏｘｉｄｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．ＥｎｅｒｇｙＥｎｖｉｒｏｎＳｃｉ，２００９，２（５）：４９８５０１．

［６］ＫａｓｕｎｏＭ，ＴｏｒｉｍｕｒａＭ，ＴｓｕｋａｔａｎｉＹ，ｅｔａｌ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆ

ｔｈｅｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｅａｃｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ

ｓｙｓｔｅｍ ｉｎＲｈｏｄｏｂａｃｔｅｒｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓｔｏａｎｅｘｏｇｅｎｏｕｓｅｌｅｃｔｒｏｎ

ａｃｃｅｐｔｏｒ．ＪＥｌｅｃｔｒｏａｎａｌＣｈｅｍ，２００９，６３６（１２）：１０１１０６．

［７］ＳｒｉｄｈａｒａｎＡ，ＭｕｔｈｕｓｗａｍｙＪ，ＬａｂｅｌｌｅＪＴ，ｅｔａｌ．Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ

ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｉｇｈｔａｎｔｅｎｎａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ

ｇｒｅｅｎｂａｃｔｅｒｉｕｍＣｈｌｏｒｏｆｌｅｘｕｓａｕｒａｎｔｉａｃｕｓ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００８，２４

（１５）：８０７８８０８９．

［８］ＯｋａｎｏＭ，ＩｉｄａＴ，ＳｈｉｎｏｈａｒａＨ，ｅｔａｌ．Ｗａｔｅｒｐｈｏｔｏｌｙｓｉｓｂｙａ

ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｅｌｌｕｓｉｎｇａｎｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｃｈｏｒｏｌｏｐｌａｓｔｓ

ｍｅｔｈｙｌｖｉｏｌｏｇｅｎｓｙｓｔｅｍ．ＡｇｒｉｃＢｉｏｌＣｈｅｍ，１９８４，４８（８）：１９７７

１９８３．

［９］ＬａｍＫＢ．ＩｒｗｉｎＥＦ，ＨｅａｌｙＫＥ，ｅｔａｌ．Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃｓｅｌｆ

ａｓｓｅｍｂｌｅｄｔｈｙｌａｋｏｉｄｓｆｏｒｍｉｃｒｏｐｏｗｅｒａｎｄｓｅｎｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．

ＳｅｎｓｏｒＡｃｔｕａｔＢＣｈｅｍ，２００６，１１７（２）：４８０４８７．

１０１

中国生物工程杂志 ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．４２０１２

［１０］ＡｈｍｅｄＪ，ＰａｒｋＷ，ＫｉｍＳ．Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｙｌａｋｏｉｄ

ｌａｙｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｇｏｌｄ ｖｉａ ａｍｉｎｏａｌｋａｎｅｔｈｉｏｌｓｅｌｆＡｓｓｅｍｂｌｅｄ

ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ．ＢＫｏｒＣｈｅｍＳｏｃ，２００９，３０（１０）：２１９５２１９６．

［１１］ＦａｕｌｋｎｅｒＣＪ，ＬｅｅｓＳ，ＣｉｅｓｉｅｌｓｋｉＰＮ．Ｒａｐｉｄａｓｓｅｍｂｌｙｏｆ

ｐｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍＩｍｏｎｏｌａｙｅｒｓｏｎｇｏｌｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００８，２４

（１６）：８４０９８４１２．

［１２］ＡｍａｋｏＫ，ＹａｎａｉＨ，ＩｋｅｄａＴ，ｅｔａｌ．Ｄｉｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｏｑｕｉｎｏｎｅ

ｍｅｄｉａｔｅｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒａｔａｃａｒｂｏｎｐａｓｔｅ

ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｃｏａｔｅｄｗｉｔｈｐｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍＩＩｍｅｍｂｒａｎｅｓ．ＪＥｌｅｃｔｒｏａｎａｌ

Ｃｈｅｍ，１９９３，３６２（１２）：７１７７．

［１３］ＩｋｅｄａＴ，ＳｅｎｄａＭ，ＳｈｉｒａｉｓｈｉＴ，ｅｔａｌ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃｐｈｏｔｏｌｙｓｉｓ

ｏｆｗａｔｅｒａｔｐｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍ ＩＩｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｐａｓｔｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ

ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｄｉｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｏｑｕｉｎｏｎｅ．ＣｈｅｍＬｅｔｔ，１９８９，５：９１３９１６．

［１４］ＢａｄｕｒａＡ，ＥｓｐｅｒＢ，ＡｔａｋａＫ，ｅｔａｌ．Ｌｉｇｈｔｄｒｉｖｅｎｗａｔｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇ

ｆｏｒ（ｂｉｏ）ｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：ｐｈｏｔｏｓｙｓｔｅｍＩＩａｓｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｐａｒｔ

ｏｆａｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｄｅｖｉｃｅ．ＰｈｏｔｏｃｈｅｍＰｈｏｔｏｂｉｏｌ，２００６，８２

（５）：１３８５１３９０．

［１５］ＳｔｒｉｋＤ，ＴｉｍｍｅｒｓＲＡ，ＨｅｌｄｅｒＭ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉａｌｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ：

ａｐｐｌｙｉｎｇｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙａｃｔｉｖｅｏｒｇａｎｉｓｍｓ．

ＴｒｅｎｄｓＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２０１１，２９（１）：４１４９．

［１６］ＲｏｓｅｎｂａｕｍＭ，ＨｅＺ，ＡｎｇｅｎｅｎｔＬ．Ｌｉｇｈｔｅｎｅｒｇｙｔｏｂｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ：

ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌｓ．ＣｕｒｒＯｐｉｎＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２０１０，

２１（３）：２５９２６４．

［１７］ＭｅｕｎｉｅｒＣＦ，ＹａｎｇＸＹ，ＲｏｏｋｅＪＣ，ｅｔａｌ．Ｂｉｏｆｕｅｌｃｅｌｌｓｂａｓｅｄｏｎ

ｔｈｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｌｙ ａｃｔｉｖｅ ｂｉｏｅｎｔｉｔｉｅｓ．

Ｃｈｅｍｃａｔｃｈｅｍ，２０１１，３（３）：４７６４８８．

［１８］ＳｃｈｒｏｄｅｒＵ，ＲｏｓｅｎｂａｕｍＭ．Ｐｈｏｔｏｍｉｃｒｏｂｉａｌｓｏｌａｒａｎｄｆｕｅｌｃｅｌｌｓ．

Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ，２０１０，２２，（７８）：８４４８５５．

［１９］刘远，陈兆安，陆洪斌，等．亚心形扁藻培养基的优化及光合

特性．过程工程学报，２００７，７（６）：１１９７１２０１．

ＬｉｕＹ，ＣｈｅｎＺＡ，ＬｕＨＢ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｕｌｔｕｒｅｍｅｄｉｕｍ

ａｎｄｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｌａｔｙｍｏｎａｓｓｕｂｃｏｒｄｉｆｏｒｍｉｓ．

ＣｈｉｎＪＰｒｏｃｅｓｓＥｎｇ，２００７，７（６）：１１９７１２０１．

［２０］陈兆安，吕艳霞，吴佩春等．一种导电性微滤膜及其制备方

法：中国，２０１１１００６６２５３．５．

ＣｈｅｎＺＡ，ＬｖＹＸ，ＷｕＰＣ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ

ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅ：Ｃｈｉｎａ，２０１１１００６６２５３．５．

［２１］ＦｉｅｄｌｅｒＤ，ＨａｇｅｒＵ，ＦｒａｎｋｅＨ，ｅｔａｌ．Ａｌｇａｅｂｉｏｃｅｒｓ：ａｓｔａｘａｎｔｈｉｎ

ｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｓｏｌｇｅｌｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｌｉｖｉｎｇｍｉｃｒｏａｌｇａｅ．ＪＭａｔｅｒＣｈｅｍ，

２００７，１７（３）：２６１２６６．

［２２］ＳｏｌｔｍａｎｎＵ，ＢｏｔｔｃｈｅｒＨ．Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｏｌｇｅｌｃｅｒａｍｉｃｓｆｏｒｔｈｅ

ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｌｉｖｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ．ＪＳｏｌＧｅｌＳｃｉＴｅｃｈｎ，

２００８，４８（１２）：６６７２．

［２３］ＢａｄｕｒａＡ，ＫｏｔｈｅＴ，ＳｃｈｕｈｍａｎｎＷ，ｅｔａｌ．Ｗｉｒｉｎｇｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ

ｅｎｚｙｍｅｓｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．ＥｎｅｒｇｙＥｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．，２０１１，４：３２６３

３２７４

ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＩｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＭｉｃｒｏａｌｇａｅ

ＬＶＹａｎｘｉａ１，２　ＣＨＥＮＺｈａｏａｎ１　ＬＵＨｏｎｇｂｉｎ１　ＤＥＮＧＭａｉｃｕｎ１　ＸＵＥＳｏｎｇ１　ＺＨＡＮＧＷｅｉ１

（１ＭａｒｉｎｅＢｉｏｐｒｏｄｕｃｔｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐ，ＤａｌｉａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２３，Ｃｈｉｎａ）

（２ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３９，Ｃｈｉｎａ）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｍｉｃｒｏａｌｇａｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｉｍｍｏｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏａｌｇａｅｏｎｔｈｅｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｐａｐｅｒｄｉｓｐｌａｙｅｄｌｉｇｈｔｄｅｐｅｎｄｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｇｅｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｗｉｔｈｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒｓｉｎａｔｈｒｅｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｄｉｖｅｒｓｅｇｅｎｅｒａｏｆｍｉｃｒｏａｌｇａｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒｓｏｎｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｍｉｃｒｏａｌｇａｅｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｏｎｔｈｅａｎｏｄｅｖｉａｓｉｌｉｃａｓｏｌｇｅｌｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｅｘｈｉｂｉｔｅｄｔｈｅｂｅｓｔｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｔｈｅｄｉｖｅｒｓｅｇｅｎｅｒａｏｆｍｉｃｒｏａｌｇａｅｉｎｃｌｕｄｉｎｇｅｕｋａｒｙｏｔｉｃａｌｇａ（Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｂｃｏｒｄｉｆｏｒｍｉｓ，Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｙｒｅｎｏｉｄｏｓａ，ＣｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉＣＣ １２４，Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓｚｈａｎｊｉａｎｇｅｎｓｉｓ）ａｎｄｐｒｏｋａｒｙｏｎａｌｇａ（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓｓｐ．ＰＣＣ７９４２）ｈａｄｓｉｍｉｌａｒｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｓｆｒｏｍｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｉｎｏｆｄｉｖｅｒｓｅｇｅｎｅｒａｏｆｍｉｃｒｏａｌｇａｅｃｏｕｌｄｂｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｖｉａｅｘｏｇｅｎｏｕｓａｒｔｉｆｉｃｉａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒ．Ｂｅｎｚｏｑｕｉｎｏｎｅａｎｄｉｔｓｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓａｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒｈａｄａｎｏｄｉｃｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅｄｕｅｔｏｈｉｇｈｒｅｄｏｘｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｗｈｉｌｅｍｅｔｈｙｌｖｉｏｌｏｇｅｎｅｘｈｉｂｉｔｅｄｌｏｗｃａｔｈｏｄｉｃｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｌｏｗｒｅｄｏｘｐｏｔｅｎｔｉａｌ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎｓｏｌｇｅｌ　Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｆｅｒ

２０１